油缸活塞杆热处理
2022-06-09
【摘 要】 45钢活塞杆经调质处理获得良好强韧性配合的综合力学性能。表面淬火的目的是获得高的表面硬度，以支撑表层镀铬层，从而提高活塞杆的耐磨性与耐蚀性。去应力退火安排在磨削加工之后电镀之前，以充分消除活塞杆内部残余应力，提升镀层质量与产品合格率。
【关键词】 活塞杆 镀层裂纹 原因分析
1 前言
液压油缸是工程机械液压系统中重要的执行元件，用于执行往复运动，驱动工程机械完成各种功能。活塞杆是液压油缸中连接活塞和工作部件的技术要求较高的关键传力零件，工作过程中需承受较大拉应力，因此，活塞杆必须具有足够的强度、刚度、韧性，同时因使用中受磨粒冲刷，极易产生磨损，还须具有较高的耐磨性。长缸活塞杆采用45钢制造，其加工工艺路线为：锻材（轧材）—下料—调质—校直—机械加工—表面淬火、回火—校直—杆头焊接—机加工—磨削—去应力退火-抛光—镀硬铬—抛光—清洗—装配。活塞杆热处理是保证活塞杆内在质量与力学性能的关键工序，热处理质量的好坏直接关系到整个液压系统的寿命和可靠性，如果热处理不当，造成活塞杆使用过程中早期断裂，轻则损毁其他零件，严重时可能造成整个设备的毁坏与人员伤亡。
2 调质处理
调质处理的目的是使活塞杆具有强度、硬度、塑性、韧性良好匹配的综合力学性能，内部组织为均匀细小的回火索氏体，为后续表面淬火作好组织准备。长缸活塞杆长度达3800-4200，直径为Φ90-Φ110mm，因此其加热设备采用150KW的井式电阻炉或600KW悬挂式连续电阻加热炉，温度分上下两区控制。热处理工艺参数： 在井式炉中一炉悬空装4支，淬火加热温度为830±10℃，保温160min后分2次出炉淬火，每次淬2支，采用循环冷却水冷却，淬火冷却时上下摆动，以保证最大限度的冷却均匀，冷却到100℃左右（杆冒蒸汽但不起泡）出水入井式回火炉回火。然后4支一次采用550±10℃加热、保温190min回火后水冷。经上述工艺调质处理后，性能不稳定，硬度在210-255HBS之间波动，同一支活塞杆上、中、下硬度也相差很大。且有时有个别炉次硬度不合格或强度偏低，需进行返修处理。淬火变形比较大，增大后续校直与机械加工难度。因45钢淬透性差，金相观察其内部组织并不是单一均匀的回火索氏体，而是在其心部存在大块的游离铁索体，个别零件还存在网状铁索体与魏氏组织。
为解决上述问题，我们采用悬挂式连续热处理调质炉进行淬火加热，每挂装2支，加热保温后出炉自动淬火，每节拍出一挂，确保加热均匀。考虑到45钢的Ac3温度为770-780℃，为尽可能细化晶粒与减小变形，我们采用790±10℃亚温淬火工艺，细化奥氏体晶粒，淬火后得到细小均匀的板条马氏体，以提升活塞杆的强韧性配合。为进一步减小变形，同时提升淬火液冷却均匀性，我们在自来水中添加5%-10%的淬火添加剂，淬火时同样采用循环水泵强制冷却液循环冷却。回火仍采用550±10℃加热，节拍同淬火节拍一至，回火后出炉水冷，抑制第二类回火脆性的产生。经上述工艺改进后，内部组织为均匀的细小回火索氏体，削除了大块状或网状铁素体与魏氏组织，硬度强度均匀、稳定。
3 表面淬火
活塞杆工作过程中运动频繁，受力复杂，因此除要求具有良好的综合力学性能防止变形与断裂外，还要求其表面具有较高的耐磨性，表面硬度要求达到58-62HRC，生产过程中常采用高频淬火处理。淬火设备选用半自动连续淬火加热炉，活塞杆由上料机输送到淬火炉传送带上，通过传送带水平旋转匀速送入感应圈中加热淬火。表面淬火的关键是感应线圈的制作与淬火工艺参数的选择。感应线圈采用10*8mm矩形铜管弯制而成，并设计为双层结构并排放置，前后圈之间相隔一定距离，前圈不做喷水孔，利用前圈进行预热。后圈钻孔径为0.9mm的喷水孔，沿圆周均匀分布，喷水角度设计为36度；感应圈内径比活塞杆外径大4-5mm。淬火加热阳极电压PV为11-12KV，阳极电流PA为1.9-2.2A，栅极电流GA为0.38-0.40A，通过调节活塞杆送料架旋转速度来控制活塞杆移动速度，将活塞杆表面加热到890-910℃后激速喷水冷却。淬火液选用专用淬火液加50-60%的水稀释而成，喷水压力保持在0.1MPa左右，通过控制喷水冷却时间从而控制水冷后产品温度，利用余热自身回火。经检测，淬硬层深度为2-3mm，表层组织为回火马氏体，心部组织为回火索氏体，表面硬度为58-60HRC，心部硬度为210-230HBS。
4 去应力退火
由于表面淬火是利用产品自身余热进行回火处理，回火温度逐步降低，没有一个完整的回火保温过程，回火时间短，应力消除不完全，部分产品中存在较大的残余应力。在后续磨削加工过程中，如果磨削内应力与表面淬火的残余内应力相叠加，当应力值超过材料抗拉强度时，活塞杆表面会产生应力裂纹，如果应力没有超过材料抗拉强度而以残余应力形式存在于产品当中，在后续镀铬或使用过程中因应力重新分配而引起镀层开裂，造成镀铬层产生裂纹。因此，活塞杆镀铬前必须进行退火处理，以消除磨削与表面处理产生的内应力。去应力退火加热温度为200-230℃，保温190min后随炉冷却到160℃出炉空冷。
5 结语
活塞杆经调质处理后获得良好的综合力学性能，并为后续表面处理做好组织准备。表面淬火的目的是获得高的表面硬度，以支撑表层镀铬层，从而提高活塞杆的耐磨性与耐蚀性。去应力退火安排在磨削加工之后电镀之前，以充分消除活塞杆内部残余应力，提升镀层质量与产品合格率，提高活塞杆使用寿命。
参考文献：
[1]朱自华.浅析微裂纹铬的电镀工艺[J].电镀与精饰，2000（2）.
[2]杨金晓，李晓玲.磨削裂纹产生机理与防止措施[J].机床与金属加工设备，2004（12）.
[3]王明勇.磨削裂纹产生机理和预防措施[J].机械制造与自动化，2003（4）.
[4]王于峰.轴类零件高频淬火工艺改进[J].拖拉机与农用运输车，2002（5）.
[5]刘宗昌.钢件的淬火开裂及防止方法[J].冶金工业出版社，2008（9）.
【关键词】 活塞杆 镀层裂纹 原因分析
1 前言
液压油缸是工程机械液压系统中重要的执行元件，用于执行往复运动，驱动工程机械完成各种功能。活塞杆是液压油缸中连接活塞和工作部件的技术要求较高的关键传力零件，工作过程中需承受较大拉应力，因此，活塞杆必须具有足够的强度、刚度、韧性，同时因使用中受磨粒冲刷，极易产生磨损，还须具有较高的耐磨性。长缸活塞杆采用45钢制造，其加工工艺路线为：锻材（轧材）—下料—调质—校直—机械加工—表面淬火、回火—校直—杆头焊接—机加工—磨削—去应力退火-抛光—镀硬铬—抛光—清洗—装配。活塞杆热处理是保证活塞杆内在质量与力学性能的关键工序，热处理质量的好坏直接关系到整个液压系统的寿命和可靠性，如果热处理不当，造成活塞杆使用过程中早期断裂，轻则损毁其他零件，严重时可能造成整个设备的毁坏与人员伤亡。
2 调质处理
调质处理的目的是使活塞杆具有强度、硬度、塑性、韧性良好匹配的综合力学性能，内部组织为均匀细小的回火索氏体，为后续表面淬火作好组织准备。长缸活塞杆长度达3800-4200，直径为Φ90-Φ110mm，因此其加热设备采用150KW的井式电阻炉或600KW悬挂式连续电阻加热炉，温度分上下两区控制。热处理工艺参数： 在井式炉中一炉悬空装4支，淬火加热温度为830±10℃，保温160min后分2次出炉淬火，每次淬2支，采用循环冷却水冷却，淬火冷却时上下摆动，以保证最大限度的冷却均匀，冷却到100℃左右（杆冒蒸汽但不起泡）出水入井式回火炉回火。然后4支一次采用550±10℃加热、保温190min回火后水冷。经上述工艺调质处理后，性能不稳定，硬度在210-255HBS之间波动，同一支活塞杆上、中、下硬度也相差很大。且有时有个别炉次硬度不合格或强度偏低，需进行返修处理。淬火变形比较大，增大后续校直与机械加工难度。因45钢淬透性差，金相观察其内部组织并不是单一均匀的回火索氏体，而是在其心部存在大块的游离铁索体，个别零件还存在网状铁索体与魏氏组织。
为解决上述问题，我们采用悬挂式连续热处理调质炉进行淬火加热，每挂装2支，加热保温后出炉自动淬火，每节拍出一挂，确保加热均匀。考虑到45钢的Ac3温度为770-780℃，为尽可能细化晶粒与减小变形，我们采用790±10℃亚温淬火工艺，细化奥氏体晶粒，淬火后得到细小均匀的板条马氏体，以提升活塞杆的强韧性配合。为进一步减小变形，同时提升淬火液冷却均匀性，我们在自来水中添加5%-10%的淬火添加剂，淬火时同样采用循环水泵强制冷却液循环冷却。回火仍采用550±10℃加热，节拍同淬火节拍一至，回火后出炉水冷，抑制第二类回火脆性的产生。经上述工艺改进后，内部组织为均匀的细小回火索氏体，削除了大块状或网状铁素体与魏氏组织，硬度强度均匀、稳定。
3 表面淬火
活塞杆工作过程中运动频繁，受力复杂，因此除要求具有良好的综合力学性能防止变形与断裂外，还要求其表面具有较高的耐磨性，表面硬度要求达到58-62HRC，生产过程中常采用高频淬火处理。淬火设备选用半自动连续淬火加热炉，活塞杆由上料机输送到淬火炉传送带上，通过传送带水平旋转匀速送入感应圈中加热淬火。表面淬火的关键是感应线圈的制作与淬火工艺参数的选择。感应线圈采用10*8mm矩形铜管弯制而成，并设计为双层结构并排放置，前后圈之间相隔一定距离，前圈不做喷水孔，利用前圈进行预热。后圈钻孔径为0.9mm的喷水孔，沿圆周均匀分布，喷水角度设计为36度；感应圈内径比活塞杆外径大4-5mm。淬火加热阳极电压PV为11-12KV，阳极电流PA为1.9-2.2A，栅极电流GA为0.38-0.40A，通过调节活塞杆送料架旋转速度来控制活塞杆移动速度，将活塞杆表面加热到890-910℃后激速喷水冷却。淬火液选用专用淬火液加50-60%的水稀释而成，喷水压力保持在0.1MPa左右，通过控制喷水冷却时间从而控制水冷后产品温度，利用余热自身回火。经检测，淬硬层深度为2-3mm，表层组织为回火马氏体，心部组织为回火索氏体，表面硬度为58-60HRC，心部硬度为210-230HBS。
4 去应力退火
由于表面淬火是利用产品自身余热进行回火处理，回火温度逐步降低，没有一个完整的回火保温过程，回火时间短，应力消除不完全，部分产品中存在较大的残余应力。在后续磨削加工过程中，如果磨削内应力与表面淬火的残余内应力相叠加，当应力值超过材料抗拉强度时，活塞杆表面会产生应力裂纹，如果应力没有超过材料抗拉强度而以残余应力形式存在于产品当中，在后续镀铬或使用过程中因应力重新分配而引起镀层开裂，造成镀铬层产生裂纹。因此，活塞杆镀铬前必须进行退火处理，以消除磨削与表面处理产生的内应力。去应力退火加热温度为200-230℃，保温190min后随炉冷却到160℃出炉空冷。
5 结语
活塞杆经调质处理后获得良好的综合力学性能，并为后续表面处理做好组织准备。表面淬火的目的是获得高的表面硬度，以支撑表层镀铬层，从而提高活塞杆的耐磨性与耐蚀性。去应力退火安排在磨削加工之后电镀之前，以充分消除活塞杆内部残余应力，提升镀层质量与产品合格率，提高活塞杆使用寿命。
参考文献：
[1]朱自华.浅析微裂纹铬的电镀工艺[J].电镀与精饰，2000（2）.
[2]杨金晓，李晓玲.磨削裂纹产生机理与防止措施[J].机床与金属加工设备，2004（12）.
[3]王明勇.磨削裂纹产生机理和预防措施[J].机械制造与自动化，2003（4）.
[4]王于峰.轴类零件高频淬火工艺改进[J].拖拉机与农用运输车，2002（5）.
[5]刘宗昌.钢件的淬火开裂及防止方法[J].冶金工业出版社，2008（9）.